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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 模拟集成运算放大电路,1,第,4,章 模拟集成运算放大电路,4.1,放大电路概述及其主要性能指标,4.2,模拟集成电路运算放大器,4.3,理想集成运算放大器,4.4,基本运算电路,4.5,集成运放的主要参数,2,放大的本质：能量的控制，利用有源元件实现,V,CC,至少一路直流电源供电，是能源,判断电路能否放大的基本出发点,放大的特征：功率放大,常用正弦波做测试信号,放大的对象：变化量,放大的基本要求：不失真,放大的前提,输入信号为零时为静态。,能够控制能量的元件,一、,放大电路概述,4.1,放大电路概述及其主要性能指标,3,二、 放大电路的方框图及其主要性能指标,1.,放大倍数：输出量与输入量之比,电压放大倍数是最常被研究和测试的参数,信号源,信号源内阻,输入电压,输入电流,输出电压,输出电流,对信号而言，任何放大电路均可看成二端口网络。,研究的是动态性能。,4,2.,输入电阻和输出电阻,将输出等效成有内阻的电压源，内阻就是输出电阻。,带,R,L,时的输出电压有效值,输入电压与输入电流有效值之比。,从输入端看进去的,等效电阻,空载时输出电压有效值,二、 放大电路的方框图及其主要性能指标,5,3,、通频带,由于电容、电感及半导体元件的电容效应，使放大电路在信号频率较低和较高时电压放大倍数数值下降，并产生相移。,衡量放大电路对不同频率信号的适应能力。,下限频率,上限频率,二、 放大电路的方框图及其主要性能指标,6,两个,输入端,一个,输出端,若将集成运放看成为一个“黑盒子”，则可等效为一个双端输入、单端输出的差分放大电路。,4.2,模拟集成电路运算放大器,一、,集成电路运算放大器的内部组成单元,7,输入级：,前置级，多采用差分放大电路。要求,R,i,大，,A,d,大，,A,c,小，输入端耐压高。,中间级：,主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。,输出级：,功率级，多采用准互补输出级。要求,R,o,小，最大不失真输出电压尽可能大。,偏置电路：,为各级放大电路设置合适的静态工作点。采用电流源电路。,几代产品中输入级的变化最大！,集成运放电路四个组成部分的作用,+,U,CC,U,EE,u,o,u,u,+,输入级,中间级,输出级,同相,输入端,输出端,反相,输入端,输入级：,输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放,。,中间级：,要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。,输出级：,与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。,9,1.,需求,热电阻,测温电桥,环境温度变化阻值变化,某一标准温度下,u,I1,u,I,V,CC,/ 2,u,I,u,I1,u,I,0,二、差分放大电路的概念,需要一种放大电路，对,u,I1,和,u,I,共同的部分不放大，仅对它们的差值放大。,温度变化（即偏离标准温度）时，产生,u,I,，这是放大的对象。,差分放大电路,10,2.,共模信号和差模信号,共模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、极性相同，则称之为共模信号。,差模信号：若差分放大电路的两个输入端所输入的信号大小相等、,极性相反,，则称之为差模信号。,设任意两个输入信号和，则,差模信号,共模信号,线性变换,11,3.,典型差分放大电路方框图,典型的差分放大电路有两个输入端、两个输出端，它们均不直接接地，这种电路形式称为,双端输入、双端输出,接法。,12,（,1,）加差模信号时,差分放大电路的输入回路和输出回路均具有对称性，故输入回路和输出回路的中点电位不变，即动态电位为,0,，即为“地”。,R,L,（,2,）加共模信号时,差分放大电路具有理想对称性，温度变化所引起晶体管参数的变化可等效为共模信号输入。,u,I,/2,3.,典型差分放大电路方框图,13,差模放大倍数,共模放大倍数,共模抑制比,越大越好,绝对值,越小越好,绝对值,越大越好,为综合考察差分放大电路放大差模信号和抑制共模信号的能力，引入参数,共模抑制比。,实际上也常用分贝（,dB,）来表示，即,4.,差分放大电路的放大倍数,14,5.,差分放大电路的四种接法,由于在实际应用场合，为避免干扰，输入信号源有接地端；为负载安全，负载常需有接地端，故差分放大电路有四种接法：即双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出。,双端输入、单端输出电路：,集成运放可等效为高性能的双端输入单端输出差分放大电路。,15,三、集成运放的符号及电压传输特性,集成运算放大电路因最初为实现信号的运算而得名。,高性能：输入电阻很大、输出电阻很小、差模放大倍数很大、共模放大倍数很小、频带很宽、受温度的影响很小,不同型号的集成运放供电电源不同，有的两路电源供电，有的一路电源供电，有的两种情况均可。缺省时认为是,V,CC,（常为,15V,）供电。,1.,符号,极性相同,极性相反,16,集成运算放大器是电压放大器，因此可用双口网络来表示。,输入电阻,输出电阻,开环差模电压放大倍数,2,集成运算放大器的电路模型,17,3,、电压传输特性,:,输出电压与输入电压的函数关系,线性区,开环差模增益高达几十万倍,非线性区,输出不是高电平,+,U,OM,就是低电平,-,U,OM,若,U,OM,= 14V,，,A,od,=5,10,5,，则为保证集成运放工作在线性区，输入信号的范围为多少？,|u,P,-u,N,|,28,V,U,OM,的值决定于什么？,18,4.3,理想集成运算放大器,一、理想运放的参数：,差模输入电阻,r,id,=,、,输出电阻,r,o,=0,、,开环差模增益,A,od,=,、,共模,A,oc,=0,、,共模抑制比,K,CMR,=,、,频带无限宽、温度对参数无影响,问题：,若将输入信号直接加在理想运放的输入端，则理想运放有可能工作在线性区吗？,负载电阻的阻值变化时，理想运放的输出电压变化吗？为什么？,理想运放的,符号,与,简化电路模型,如图所示,(,不能， 因,A,od,=,，需引入负反馈,),(,不变，输出等效为恒压源,),19,有限值,无穷大,无穷小,为保证理想运放工作在线性区，必须引入负反馈。,无源网络,反馈,：将放大电路的输出量通过一定的方式引回到输入回路来影响输入量，称为反馈。,正、负反馈,：若反馈的结果使输出量的变化增大，则称为正反馈；若反馈的结果使输出量的变化减小，则称为负反馈。,U,O,U_,U,O,1.,电路结构,二、理想运放工作在线性区的特点,20,由于,U,O,为有限值，,A,od,，因而净输入电压,U,+,U,_,0,，即,因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即,U,+,U,-,虚短路,I,+,I,_,0,虚断路,“虚短”和“虚断”是分析工作在线性区的集成运放的应用电路的两个基本出发点。,2.,工作在线性区的特点,21,三、理想运放工作在非线性区的特点,1.,电路特征,理想运放工作在开环状态,引入正反馈，使其输出量的变化增大,开环、正反馈,势必工作在非线性区,无源网络,电压传输特性,22,2.,理想运放工作在非线性区的特点：,输出电压只有高、低两种电平,因为净输入电压为零，又因为输入电阻为无穷大，所以两个输入端的输入电流也均为零，即,I,+,I,_,0,虚断路,工作在非线性区的理想运放仍具有“虚断”的特点，但一般不具有“虚短”的特点。,1,.,反相比例运算,（,1,）电路组成,以后如不加说明，输入、输出的另一端均为地,(,),。,（,2,）电压放大倍数,因,虚短,所以,u,=,u,+,= 0,，,称反相输入端“虚地”,反相输入的重要特点,因,虚断，,i,+,= i,= 0,，,i,f,i,1,i,i,+,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,所以,i,1,i,f,因要求静态时,u,+,、,u,对地电阻相同，,所以,平衡电阻,R,2,=,R,1,/,R,F,4.4 基本运算电路,24,一、比例运算电路,电路的输入电阻为多少？,2),运放的共模输入电压为多少？,3),R,p,？,为什么？,虚地,1.,反相输入,R,p,=,R,R,f,4),若要,R,i,100k,，比例系数为,10,，,R,f,？,保证输入级的对称性,A,u,5),若要用反相输入比例运算电路做放大电路，则,A,u,=,？,（可作为公式直接使用）,4.4 基本运算电路,25,运算关系的分析方法：节点电流法,输入电阻为多少？,A,u,集成运放的共模输入,一、比例运算电路,（可作为公式直接使用）,2.,同相输入,26,同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器,一、比例运算电路,27,电压跟随器的作用,无电压跟随器时,负载上得到的电压,电压跟随器时,根据虚短和虚断有,i,+,0,，,u,+,u,-,一、比例运算电路,28,二、加减运算电路,方法一：节点电流法,1.,反相求和,29,方法二：利用叠加原理,首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。,二、加减运算电路,同理可得,30,2.,同相求和,U,i1,作用时的,U,+,必不可少吗？,用节点电流法：,用叠加定理也可以写出：,解得,:,U,i2,作用时的,U,+,二、加减运算电路,31,电路如图所示，电路平衡条件为,用叠加定理可以写出：,作用时,作用时,当电路电阻满足条件,实现了差分放大电路,3.,减法电路,二、加减运算电路,32,双运放减法运算电路,双运放减法运算电路如图所示。,二、加减运算电路,33,三、积分运算电路和微分运算电路,1,.,积分运算电路,反相,若,u,i,在,t,1,t,2,为常量，则,34,移相,1),输入为阶跃信号时的输出电压波形？,2),输入为方波时的输出电压波形？,3),输入为正弦波时的输出电压波形？,线性积分,波形变换,利用积分运算的基本关系实现不同的功能,35,虚地,2.,微分运算电路,36,F007,的外形结构和引脚排列图,通用型集成运放的管脚说明,
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